压力容器的论文

1、论应力的分类及压力容器的设计发展贾鹏（泰来县特种设备检验研究所，黑龙江泰来162400） 1概述压力容器都是采用传统的方法进行设计，它是从基本的薄膜应力出发，同时将其他应力 对容器安全性的影响，包括在较大的安全系数 之中，实际上，在压力容器中，除了存在着介 质压力引起的薄膜应力外，还存在着由于边界 效应（如开孔接管或其他曲率小连续部位）引 起的局部应力，以及由于热胀冷缩变形受到限 制而引起的温差应力等。上述各类应力的性质及其对安全性的影 响各不相同，但是，在以往的压力容器设计 中，由于对容器各部分的受力以及它们对容器 强度的影响，缺乏全面、精确、深刻的了解， 因而只能在设计中采用较高的安全系数

2、，以保 证压力容器的运行安全。传统设计方法是由当时的科学技术水平决定的，在很长一段时间内，这一设计方法对 压力容器设计起着积极的推动作用。由于传统 设计方法简单易行，具有丰富的使用经验，各 国依然采用它进行一般压力容器的设计，如美 国的ASME锅炉与压力容器规范第伽卷第一册 和日本标准J1SB8243等。我国压力容器的国 家标准GB150也是采用这一方法。但是，压 力容器的传统设计方法存在着很大的局限性， 其主要缺点是没有区分薄膜应力和其他应力对 容器强度的不同影响，片面地认为不管是整体 应力还是局部应力，只要达到材料的屈服极 限。整个容器便失去正常的工作能力，亦即“失效”。实际上，当局部应力

3、达到材料的屈服 极限时，容器大部分区域的应力尚低于这一数 值，仍处于弹性状态。因此，此时容器不仅不 会进入屈服，就是己经屈服的局部区域，由于 受到周围广大弹性区的约束，其变形量不可能 进一步增长（即不可能发生过大的塑性流动）， 应力的增加也会受到控制，因而不会引起整个 容器失效。2应力分类2.1边缘效应以边缘效应为例，说明不同种类应力的特性及其对容器失效的影响,局部应力往往发 生在容器的几何形状产生突变或结构不连续的区域，有下列2种情况：2.1.1总体结构不连续处，如封头与筒体的连接处;法兰与壳体的连接处;不同厚度的壳 体连接处等在这些连接处，将产生剪力与弯 矩，使基本应力得以增强，其影响可涉

4、及到壳 体相当大的部分。由于局部处总的应力值有了 显著的增加，有时甚至可能远远超过壳体上的 周向应力而达到材料的屈服极限井引起屈服变 形，但因受周围弹性材料所包围，实践证明只 要应力值小于屈服极限的2倍，容器是不会遭 到破坏的2.1.2局部结构不连接区，例如开孔周围、小的圆角半径等在这些局部区域可产生最 高的应力、应变值。但因其分布在很小的区域 内，对于总体结构的应力与应变不会产生重大 的影响。如果材料具有足够的塑性，载荷的循 环次数也不致造成疲劳破坏。实践证明，既使 局部的应变值数倍于材料的屈服应变值 也不 会造成容器的破坏根据以上的分析，为使压力容器的设计既安全可靠又经济合理，妥当的做法应

5、该是对 作用在压力容器上的应力进行详细的分类，井针对不同的应力分别给予不同的限制范围2.2应力分类的原则以美国的ASME,锅炉压力容器规范第伽卷第一册诞生为标志，压力容器的设计方法发 生了一次革命，从传统的按规则设计的方法过 渡到以详细的应力分析与评定为设计基准的更 高阶段。分析设计方法的核心是将压力容器中的 各种应力加以分类，分清主次，根据各类应力 对容器安全性的影响程度，分别规定不同的安 全系数，以保证设计产品的安全性与经济性 压力容器在外载荷作用下，满足平衡条件 与变形协调条件后，容器各个部件中的应力按 其性质的不同分为以下3类2.2.1 一次应力是由外载荷的作用而在容器部件中产生的正应

6、力或剪应力。它必须满足力与力矩的平 衡方程式。一次应力的基本特点是当它超过材 料的屈服极限时，将产生过渡的变形而破坏。 一次应力又可分为以下几种a.总体薄膜应力由于内压而在圆筒形或球形壳体中产生的薄膜应力即属此例，此应力分布在整个壳体 上，在工作应力达到材料的屈服极限时，沿壳 体壁厚的材料将同时进入屈服b.一次弯曲应力例如由于内压的作用，在平板盖中央部分产生的弯曲应力它沿板厚呈直线分布，当内 压相当大时，首先是上、下表面处进入屈服， 其它部分仍处于弹性状态如继续增加载荷，应 力沿板厚的分布将重新调整所以对于一次弯曲 应力可以应用极限设计的概念进行应力分析， 井允许比总体薄膜应力具有较高的许用应

7、力。.局部薄膜应力对于在局部范围内，由于压力或机械载荷引起的薄膜应力称为局部薄膜应力例如在容 器支座处由于力和力矩产生的薄膜应力由于这 种应力的局部性，故也允许比总体薄膜应力具 有较高的许用应力。这种应力实际上具有一次 应力的特征，但出自保险的考虑，仍将其划为 一次应力。2.2.2二次应力二次应力是由于容器部件的自身约束或相邻部件的约束而产生的正应力或剪应力。它 必须满足变形协调的条件，如薄壁圆筒与半球 形封头的连接处，在内压作用下，它们的径向 位移是不同的，故在连接处二者将互相约束， 使变形协调。于是连接处便产生了附加的弯矩 与剪力，由此引起的应力便是二次应力。这种 应力的特征是具有自限性，

8、即当局部范围内的 材料产生屈服或小量变形，相邻部分之间的约 束便得到缓和，使变形趋向协调，不再继续发 展，而应力自动限制在一定的范围内，只要此 二次应力与其他应力叠加后小于规定值容器 是不会损坏的2.2.3峰值应力接管的根部、小的圆角半径或小孔边缘等局部处，由于载荷或结构形状的突变引起局 部的应力集中，它具有最高的应力值峰值。应 力的基本特征是整个结构不产生任何显著的变 形，它仅是疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。 局部范围内的热应力不使结构产生显著的变 形，也属于峰值应力的范围。峰值应力可根据一定的循环次数限制在 按疲劳曲线求得许用应力幅Sa的范围内。3压力容器设计的发展行业标准JB4732-

9、95钢制压力容器一分 析设计标准是以分析设计为基础的钢制压力 容器标准，提供了以弹性应力分析和塑性失效 准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法。对 于选材、制造、检验和验收规定了比&日150- 89钢制压力容器更为严格的要求。应力分析设计这一设计方法虽然合理而且先进，但却需要进行大量复杂的分析计算， 只有借助于电了计算机才能完成，因而设计费 用极高。为此，只有当设计高参数、重要的容 器时，才采用这种方法。对于大量的常规压力容器而言，长期实践证明采用简单易行的传统设计方法完全可以 满足压力容器的安全要求，如采用详细的应力 分析，虽然可节省部分钢材，但却大大提高了 设计、制造费用，在经济上是不合算的。所以 ASME规范同时规定了上述2种设计准则，我 国也颁布了国家标准GB150及行业标准 JB4732- 95,供用户根据不同情况进行选择， 这种办法显